ما هي طريقة الإرسال Pipelined في شبكات الحاسوب

في شبكات الحاسوب يُعد “Pipelined” طريقة إرسال وحدات بيانات متعددة دون انتظار إقرار بالإطار الأول الذي تم إرساله، حيث يضمن “Pipelined” استخداماً أفضل لموارد الشبكة ويزيد أيضاً من سرعة التسليم ولا سيما في المواقف التي يشكل فيها عدد كبير من وحدات البيانات رسالة يتم إرسالها.

ما هي طريقة الإرسال Pipelined

طريقة الإرسال “Pipelined”: هي تقنية تتداخل فيها تعليمات متعددة أثناء التنفيذ، حيث ينقسم خط الأنابيب إلى مراحل وترتبط هذه المراحل مع بعضها البعض لتشكيل هيكل يشبه الأنبوب، كما تدخل التعليمات من أحد الأطراف وتخرج من نهاية أخرى.

يزيد خط الأنابيب من إنتاجية التعليمات الإجمالية وفي نظام “Pipelined” يتكون كل جزء من سجل إدخال متبوعاً بدائرة توافقية، كما يستخدم السجل لحفظ البيانات وتقوم الدائرة التوافقية بالعمليات عليه ويتم تطبيق ناتج الدائرة التوافقية على سجل إدخال المقطع التالي.

مخطط تدفق نقل البيانات عبر Pipelined

يصور مخطط التدفق نقل البيانات في نظام متسلسل مقابل ذلك في نظام غير متصل بالخطوط، حيث يتم دمج خطوط الأنابيب في طبقة ارتباط البيانات، ويتم إرسال أربعة إطارات طبقة ارتباط البيانات بشكل تسلسلي وبروتوكولات ارتباط البيانات التي تستخدم خطوط الأنابيب، كما يستخدم بروتوكولا طبقة ارتباط البيانات مفهوم خطوط الأنابيب “Go – Back – N”.

يوفر بروتوكول “Go – Back – N” خطوط الأنابيب للإطارات أي إرسال إطارات متعددة قبل استلام الإقرار بالإطار الأول، كما يتم ترقيم الإطارات بالتسلسل ويتم إرسال عدد محدود من الإطارات اعتماداً على حجم نافذة الإرسال، حيث إذا لم يتم استلام الإقرار بوقت مستقبل الإرسال المرسل عبر الأنابيب للإطار خلال الفترة الزمنية، يتم إعادة إرسال جميع الإطارات التي تبدأ من هذا الإطار وحجم نافذة الاستلام في 1 في هذه الحالة.

ويتضمن بروتوكول “selective repeat” أيضاً مفهوم خطوط الأنابيب، حيث يكون حجم نافذة جهاز الاستقبال أكبر من 1، وفي هذا البروتوكول يتم إرجاع إرسال الإطارات الخاطئة أو الضائعة فقط بينما يتم استلام الإطارات الجيدة وحفظها مؤقتاً، وعندما تنتهي مهلة المرسل يُعاد إرسال أقدم إطار غير معترف به وإذا تم استقبال الإطار المعاد إرساله بشكل صحيح، فإنّ جهاز الاستقبال يسلم جميع الإطارات التي قام بتخزينها مؤقتاً بدءاً من الإطار المعاد إرساله.

مبدأ عمل طريقة الإرسال Pipelined

في السيناريو الحالي يواجه مواقف مختلفة يتعين فيها إرسال كمية كبيرة جداً من البيانات في مدة زمنية أقل، كما يتم تحسين أداء النقل جنباً إلى جنب مع الاستخدام الأفضل لموارده، حيث يمكن تطبيق تقنية الأنابيب في شبكات الكمبيوتر لتحقيق أهداف الشبكات هذه، لذلك تُعد “Pipelined” بأنّها عملية إرسال حزم بيانات متعددة بشكل متسلسل دون انتظار الإقرار السابق.

وهذه التقنية مفيدة عندما تكون كمية البيانات المراد نقلها كبيرة جداً ويتم إرسال البيانات بتقسيمها إلى أجزاء مختلفة، حيث يمكن ربط أجزاء البيانات هذه وإرسالها إلى جهاز الاستقبال عبر القناة وفي التسلسل لا يتم انتظار إقرار حزم البيانات المرسلة، كما يستمر في إرسال حزم البيانات بشكل مستمر دون القلق بشأن الإقرارات.

خطوط الأنابيب هي تقنية مستمرة ومتداخلة، كما يتم إرسال جميع حزم البيانات بشكل مستمر تلو الأخرى، وقد يحدث أنّه في وقت واحد ستتم عملية واحدة على حزمة واحدة والعملية الأخرى على بعض حزم البيانات الأخرى بطريقة متداخلة، ومن ثم فإن خطوط الأنابيب تضمن الاستخدام الفعال والأفضل لموارد الشبكة.

كما أنّه يعزز سرعة تسليم حزم البيانات ممّا يضمن نقل البيانات في الوقت المناسب، كما يمكن أن يظهر الفرق الأساسي بين نقل البيانات عبر خطوط الأنابيب وغير المنقولة، حيث في شبكات الكمبيوتر يتم استخدام خطوط الأنابيب بشكل أساسي في طبقة ارتباط البيانات لنماذج مرجعية “OSI” و”TCP / IP” وفي طبقة ارتباط البيانات يضمن التسلسل التسليم السريع لحزم البيانات، ونظراً لعدم وجود آلية للإقرار في خطوط الأنابيب.

لذلك هناك حاجة لبعض البروتوكولات التي تضمن الموثوقية في نقل البيانات، كما يمكن أيضاً استخدام خطوط الأنابيب في طبقة التطبيقات لطبقة “OSI” و”TCP / IP” المرجعية، حيث في طبقة التطبيق يمكن ترتيب طلب المرسل واستجابة المتلقي، وإنّه يعزز أداء البروتوكول خاصةً في اتصالات الشبكة مع زمن انتقال عالٍ جداً وكما أنّه يقلل من وقت الانتظار.

البروتوكولات التي يمكن استخدامها في طبقة التطبيقات في “Pipelined” هي “HTTP” و”SMTP” و”FTP” وما إلى ذلك، حيث في هذه البروتوكولات يمكن إرسال طلبات متنوعة عبر اتصال “TCP” واحد دون انتظار الاستجابات المقابلة.

• “HTTP” هي اختصار لـ “Hyper-Text-Transfer-Protocol” و”SMTP” هي اختصار لـ “Simple-Mail-Transfer-Protocol”.

• “FTP” هي اختصار لـ “File-Transfer-Protocol” و”TCP” هي اختصار لـ “Transmission-Control-Protocol”.

• “TCP / IP” هي اختصار لـ “Transmission-Control-Protocol/Internet-Protocol” و”OSI” هي اختصار لـ “Open-Systems-Interconnection”.

وظائف طريقة الإرسال Pipelined

• أداء عالي.

• الاستخدام الفعال للموارد.

• كفاءة الوقت.

• تسليم سريع للبيانات.

• يقلل من وقت انتظار العملية.

• كل هذا يتعلق بتقنية الأنابيب جنباً إلى جنب مع تطبيقاتها وخصائصها.

أنواع طريقة الإرسال Pipelined

1- خطوط الأنابيب الحسابية Arithmetic

توجد خطوط الأنابيب الحسابية عادةً في معظم أجهزة الكمبيوتر وكما يتم استخدامها لعمليات الفاصلة العائمة وضرب أرقام النقطة الثابتة وما إلى ذلك، وعلى سبيل المثال المدخلات إلى خط أنابيب العائم النقطة العائمة هو “A” و”B” همُا رقم مهم من أرقام الفاصلة العائمة “mantissas”، بينما “a” و”b” هما الأسس وتتم عملية الجمع والطرح بالفاصلة العائمة في أجزاء:

• مقارنة الأسس.

• العمل على محاذاة “mantissas”.

• جمع أو طرح “mantissas”.

• إنتاج النتيجة وتستخدم السجلات لتخزين النتائج الوسيطة بين العمليات.

2- خط أنابيب التعليمات Instruction pipeline

في هذا يمكن تنفيذ سلسلة من التعليمات من خلال تداخل مراحل الجلب “fetch” وفك الشفرة وتنفيذها في دورة التعليمات، كما يستخدم هذا النوع من التقنية لزيادة إنتاجية نظام الكمبيوتر ويقرأ خط أنابيب التعليمات التعليمات من الذاكرة، بينما يتم تنفيذ التعليمات السابقة في أجزاء أخرى من خط الأنابيب وبالتالي يمكن تنفيذ تعليمات متعددة في وقت واحد، كما سيكون خط الأنابيب أكثر كفاءة إذا تم تقسيم دورة التعليمات إلى مقاطع ذات مدة متساوية.

عوامل تعطل عمل نظام Pipelined

1- تغيرات التوقيت

• لا يمكن أن تستغرق جميع المراحل نفس القدر من الوقت.

• تحدث هذه المشكلة بشكل عام في معالجة التعليمات، حيث تحتوي التعليمات المختلفة على متطلبات معامل مختلفة وبالتالي وقت معالجة مختلف.

2- مخاطر البيانات

• عندما يتم تنفيذ عدة تعليمات بشكل جزئي، وإذا كانت تشير إلى نفس البيانات تظهر المشكلة.

• يجب أن نتأكد من أنّ التعليمات التالية لا تحاول الوصول إلى البيانات قبل التعليمات الحالية، لأنّ هذا سيؤدي إلى نتائج غير صحيحة.

3- التعليمات

• من أجل جلب وتنفيذ التعليمات التالية، يجب أن نعرف ما هي هذه التعليمات.

• إذا كانت التعليمات الحالية عبارة عن فرع شرطي، وستقود نتيجتها إلى التعليمات التالية، وفقد لا تكون التعليمات التالية معروفة حتى تتم معالجة التعليمة الحالية.

4- المقاطعات

• المقاطعات تعيين التعليمات غير المرغوب فيها في دفق التعليمات.

• المقاطعات تؤثر على تنفيذ التعليمات.

5- تبعية البيانات

تنشأ عندما تعتمد التعليمات على نتيجة تعليمات سابقة ولكن هذه النتيجة ليست متاحة بعد.

مزايا نظام Pipelined

• يتم تقليل وقت دورة المعالج.

• يزيد من إنتاجية النظام

• يجعل النظام موثوقاً به.

عيوب نظام Pipelined

• يعتبر تصميم المعالج المبني على خطوط الأنابيب معقداً ومكلفاً في التصنيع.

• زمن انتقال التعليمات هو أكثر من ذلك.